Bauplan Nr. 33 DDRl,-M
Klaus Schlenzig
·
Winfried Müller
Lumineszenz-Mosaik
Originalbauplan Nr. 33
Inhaltsverzeichnis 1.
2. 2.1. 2.2. 2.2.1. 2.2.2. 2.3. 2.3.1. 2.3.2. 2.3 . 3 . 2.3.4. 2.4. 2.5. 3.
3.1. 3.2.
3.3.
3.4.
1.
Einleitung Basi sinformation zu Lumineszenzbau elementen Aufbau von Leuchtdioden Aufbau von Symbolanzeigebauelemen ten Anzeigebauelemente VQB 71 und VQB 73, einstellig, 7 m m Symbolhöhe Anzeigebauelement VQC 32. dreistellig. 3 mm Symbol höhe Eigen schaften von Festkörperanzeige bauelementen Durchlaßstromkennlinie Abhängigkeit der Lichtstärke vom Flußstrom Tem peraturverhalten Berechnung des Arbeitswiderstands Einhauhinweise für LED und FSA Technische Daten Leuchtdioden-Mosaik Einfache Betriebsanzeige Betriebsanzeige für THT800 Lichttaster-Markierung Blinkanzeige ..B L I"
Einleitung
3 . 5.
3.6. 3. 7 .
3.8. 3.9. 3 .10.
3.11. 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 5
.
•
Spannungswächter ,.UÜ I" U nterspannungsanzeige .. UA I" Leuchizeile . .LZ I" ( . .Thermometer skale" J' Stereo-Aussteueranzeige Diodentester Polaritäts- und S pannungsprüfer (Be triebsanzeige .. BA I" für weiten V-Be reich) Symbolanzeige mit Leuchtd ioden FSA-Mosaik Einstell ige Anzeige einer Schalterstei lung Mehrsteilige Anzeige einer Schalter stellung BC D-7-Segment-Dekoder D 147 C Trainer für BCD-Kode-Übungen TTL-Logiktester mit 7-Segment-An zeige Digitaluhr (Prinzip) Zeitmultiplex-Betrieb von Ziffern-An zeigen Literatur
,.
Ähnlich wie vor 20 Jahren der Transistor die Elektronenröhre ahzulösen begann, verdrängen Fest körperanzeigebauelemente gegenwärtig weitere Bauelemente der klassischen Vakuumtechnik, wie . Glüli- und Glimmlam pen für Signal zwecke, gasgefü llte Ziffernanzeigeröhren und LumineszenzVorteile aus : zeichnen sich durch
diese interessieren hier -, gehören d ie Lumineszenzdioden oder liehtemittierenden Dioden (Kurzbezeichnung: LED) und die Festkörpersymbolanzeige-Bauelemente (Kurzbezeichrlllng: FSA>. Während die LEDs vor-
1
wiegend für Signalzwecke verwendet werden, dienen die FSA zum Darstellen von Ziffern, Zeichen und Symbolen./ Zum Dar)> tellen von Ziffern ist die "7-Segrnent"-Konfiguration allgemein verbreitet. Die in Form einer "8" angeordneten Leuchisegmente genüge n , um sämtliche Ziffern und darüber hinaus einige Symbole Urld B uchstaben abbilden zu können. Für die gemeinsame Darstellungsmöglichkeit von Ziffern und allen B uchstaben des Alphabets sowie aller denkbaren Symbole ist eine sogenannte "7 x 5-Punkt-M atrix" erforderlich.' Sie "besteht aus 35 l iehtemittierenden Dioden, die auf 7 Zeilen mit je 5 LED verteilt sind. Die liehtemittierende Diode ist das Ausgangsprodukt für alle liehtemittierenden Festkörperbau elemente. Sie werden gru ndsätzlich in Durchlaßrichtung betrieben. Durch den fließenden Strom ge langen frei bewegliche Elektronen über den p-n- Übergang ins p-Gebiet, wo sie mit den vorhan,d enen Defektelektronen rekombinieren. B ei diesem Vorgang wird Energie als Strahlung abgegeben. Bild I zeigt in schematischer Darstellung den Halbleiterkristall einerLED auf der B asis von Gallium-Arsenid Phosphid (GaAsP). Der p-n- Ü bergang befindet sich etwa 2 bis 4 t-t-m unter der Halble.iteroberfläche. DasLicht wird in dem dünnen p-Gebiet erzeugt und verläßt den Kristall durch die nahe Oberfläche. Alles Licht, das sich in das Innere des Kristall s ausbreitet, wird absorbiert. Der strukturelle Aufbau einerLED erfolgt nach allgemeinen, in der Halbleitertechnik be*.annten Ver fahren. Das durch elektrische Energie hervorgerufeneLicht ist nahezu einfarbig, also monochromatisch. Ein gewisser J'.lachteil der derzeit überwiegend mit rotem Licht leuchtenden Anzeigebauelemente besteQ.t dabei in der Ermüdung des Auges bei längerem B etrac hten, wie das z. B. beim Arbeiten mit ' FSA-pestückten .Meßgeräten nötig ist. Die Farbe. des abge strahlten Lichtes ist abhängig vom gewählten Kristallmaterial und von dessen Dotierung. Gallium-Arsenid-Phosphid wird vor allem für Bauelemente verwendet, die rote s Licht emittieren. Diese Kombination hat den Vorteil einer wirtschaftlichen Technologie. Die Lichtabgabe ist etwa proportional zum Flußstrom. Die Materialkpmbination Gallium-Phosphid (GaP) strahlt j e nach Dotierung in den Farben Grün , Gelb und Rot. Der Herstellungsprozeß von GaP ist erheblich aufwendiger als der von GaAsP. Bild 2 zeigt die Lage der Emissionswellenlängen von liehtemittierenden Festkörperbauelementen auf der B asis von GaAsP und unterschiedlich dotiertem GaP im Vergleich zur Kurve der relativen Augenempfindlichkeit Die im vorliegenden B auplan benutzten Festkörperanzeigebauelemente basieren auf GaAsP. ·
2.
Basisinformationen zu Lumineszenzbauelementen
2.1.
Aufbau· von Leuchtdioden
, ..
Der Aufbau er L ED ähnelt in mancher Weise den Technologien herkömmlicher Halbleitqbau elemente. Als Gehäusebauformen haben sich die Allplastgehäuse allgemein durchgesetzt (Bild 3). Das Plastmaterial ist hinsichtlich eines besseren Kontrastes rot eingefärbt. Aber auch glasklare Typen sind üblich, wobei dem Plastkörper häufig ein lichtbrec hendes M aterial beigemischt ist, das eine diffuse Lichtabgabe bewirkt. Der Plastkörper umhüllt schützend das Halbleitersystem und stabilisiert die nach außen herausgeführ ten Anschl ußfahnen. Der sphärisch gestaltete Dom sowie die geome trische Anordnung des licht emittierenden Kristalls bilden zusammen ein optisches System , das einen optimalen"Lichtaustritt gewährleistet. , , Bild 4 zeigt den prin zipiellen kon struktiven . Aufbau. Der Halbleiterkristall selbst ist auf einem der An schlußkontakte elektrisch l eitend befestigt. Eine hauc.hdünne Drahtverbindung (Bon d draht) stellt die elektrische Verbindung zum anderen Anschlußkontakt her. Die Polarität der Anschlüsse ist an den An schlußfahnen unterhalb des Plastkörpers erkennbar : Zwei nach links und rechts seitlich abzwei gende Nasen weisen auf den Pluspol ( Anode) ?in; bei der Katode fehlt die zweite N ase. 2
2.2.
Aufbau von Symbolanzeigebauelementen
2.2.1.
Anzeigebauelemente VQB 71 un,d VQB 73, einstellig, 7 mm Symbolhöhe
Das Anzeigebauelement VQB 71 dient z ur Darstellung der Ziffern 0 bis 9 sowie·eines Dezimal zeichen s rechts neben der Ziffer. Neben der Zifferndarstellung i s t es s�lb stverständlich möglich, einige B uchstaben sowie selbstkomponierte Symbole, die sich aus der achtförmigen Segment-Konfiguration ableiten lassen, darzustellen. Mit dem Typ VQB 73 lassen sich die Vorzeichen Plus(+), Minus (-) und das Symbol für Prozent (%) darstellen. Die Symbolhöhe beider B auelemente beträgt 7 mm. Mit die ser Symbolhöhe sind Ableseentfernungen bei günstigen Umlichtbedingungen von etwa 2 m zu erreichen. Die mechanischen Abmessungen sowie die Anschlußbelegungen können für die Typen VQB 71 und VQB 73 aus Bild 5 und B ild 6 ersehen werden. Die Segmente der relativ großen Ziffern un
Anzeigebauelement VQC
32,
dreistellig,
3 mm
Symbolhöhe·
Die ses Bauelement ist ein dreisteiliges Anzeigesystem zur Darstell ung der Ziffern 0 bis 9. Jeder· Stelle· ist rechts von der Ziffernposition ein Dezimalzeichen zugeordnet. Die Zifferngröße b � trägt 3,4 mm. Bild 8 zeigt die mechanischen Abm e ssungen der VQC 32. Die Segme nte bestehen aus einzelnen Lumineszenzdioden, so daß ihr Kennlinienverlauf und der der Dezimalzeichen vergleichbar ist ·m i t dein einer Lumineszenzdiode VQA 12 (s. B ild 10). Die Segmente und die Dezimalzeichen sind einzeln auf einer gemein samen Trägerkeramik befe stigt. Das gesamte System ist wiederum mit einem tran sparenten rote n Kunstharz umhüllt . Die sei; Anzeigebauelement kann hinsic htlich der Anschl ußfahnengestaltung in 2 Varianten bezogen werden ( B ild 8 d, e). Iin Gegen satz zur VQB 71/73 bildet die Katode die gemeinsame Gegenelektrode . A l s Anoden sind folgl ich die Segmente und das Dezimalzeichen au sgebildet. Diese s B auelement, und· darauf muß deutlich hingewiesen werden, ist n ur· für den Zeitmultiplexbetrieb geeignet! Für die se Schaltungstechnik ist charakteristisch. daß alle gleichpositionierten Segmente aller Stellen eines Anzeigebauelements zusammengesc haltet sind (Bild 9). Die se Zusam m en schaltung erfolgt bereits beim B auelementehersteller im I nnern des B auelements' Durch die interne Zusam m e n schaltung gleichwertiger Segmente ergeben sich für das dreisteilige B auelement folgende An schl ußbelegunge n : 7 Anschlüsse für die 7 x 3 Segmente A bis G, ein An schluß für die 3 Dezimalpun kte sowie je ein An schluß für die Gegenelektroden der einzelnen Stellen. Mit wachsender Stellenanzahl eines Anzeigesystem s kom mt lediglich je ein Anschl uß für die gemein same Gegenelektrode hinzu. ·
3
2.3.
Eigenschaften von Festkörperanzeigeb:tuelementen
Die nachfolgend beschriebenen Eigen schaften gelten, da die Materialbasis die gleiche ist, sowohl für Lumineszenzdioden als auch für Symbolanzeigebauelemente. Die Betrachtungen werden auf LED Baueleme nte verallgemeinert, sofern keine be sonderen Hinweise auf bestimmte Symbolanzeigebau eleme nte �rfolgen. Die angeführten Kennlinien basieren auf Einzelmes sung und können deshalb n ur orien tierenden Charakter haben. Eine Identität der technischen Daten und der Kennlinien mit den Parametern der als B astlertype_ n de klarierten Festkörperanzeigebauelemente ist nicht in jedem Fall gegeben . Im Sinne einer vollwertigen Information sind vielmehr Gegen stand der Befrachtung Stan dard-Bauelemente des VEB Werk für Fernsehelektroriik. Auf abweichende Parameter der B astler typen wird in den i nformat ionen der Verkaufsstelleil hingewiesen. 2.3.1.
Durchlaßstromkennlinie
Bild 10 zeigt Durchlaßstromkennlinien, wie sie flir Festkörperanzeigebaueleme nte typi sch sind. Sie ähneln denen von Silizi umd ioden, wobei die Schy;ellspann ung aber entspreche nd höher liegt, nämlich bei e twa UF= 1,5V bis 1,6 V (Ausnahme: VQ B71. UF=3,6Yl. Der Knick der Ke nnlinie ist stark ausgeprägt. Die Ken nlinie verläuft nach dem Knick steil ansteigend. Der steile Anstieg bes agt, daß der Spannungsabfall über einer Dioden strecke vom durchfließe nden Strom nur w�nig beeinflußt wird. Die maximal zulässige Sperrspan nung ist bei diesen Baueierne nten in der Größenord nung von UR ;S 4 V fe stgelegt. Die relativ niedrigen Sperrspan nungswerte sind auf die hohe Dotierungsrate des liehtemittierenden Materials zurückzuflihren. Bei den Bastlert ypen kan n sie niedriger liege n . Diese Tat sache ist aber bedeutungslos, da flir die zu besprechenden Anwendu ngsbeisp iele die Größe der nicht intere ssiert . tat sächlichen
2.3.2.
Abhängigkl'it der Lichtstärke vom Flußstrom
Die Durchlaßstromken nlinie gibt keine Auskunft über die Abhängigkeit de s relativen Lichtstroms von der Größe des durch das Bauelement fließenden Strome s IF. Der Kurvenverlauf der Kennlinie nach B ild 12 zeigt, daß im normalen Betriebsbere ich die relative Lichtstärke linear mit dem Fluß strom ansteigt. Die Lichtstärke ist also flußstromabhängig. Jede Änderung des Flußstroms bedeutet zwangsläufig auch eine Änderung der Licht stärke. Die Größe de s Flußstroms und somit die Licht stärke � ird bei unverän dertem Vorwiderstand durch Schwankungen der Versorgungsspan nung und durch äußere Temperatureinfllisse beeinflußt. 2.3.3.
Temperaturverhalten
Aus dem Kennlinienfeld nach B ild 10 ist ebenfalls erkennbar, daß liehtemi ttierende Bauelemente in ihrem Verhalten von der auf sie einwirkenden Temperatur beeinflußt werden. Neben dem Kennlinien feld, das bei einer Umgebungstemperatur von {} 25 oc (Zimmertemperatur) aufgenomme n worden ist, sind zwei weitere e ingezeichnet, ausgewählt für die Temperature n{},= I0°C und {}a =.-70°C. Man erkennt, daß bei gleichem Flußstrom unterschiedliche Flußspannungen gemessen werden oder daß bei gle icher Flußspannung die Flußströme abweichende Werte zeige n . Sich ändernde Flußstromwerte führen, wie zuvor angedeutet, zu Rückwirkungen auf die Lichtstärke . Da di.e Werte der genannten Parameter bei steigender Umgebungstemperatur kleiner werden, ordnet man ihnen ein negatives Temperaturverhalten zu. B ild 13 veranschaulicht, mit welchen Größenordnungen zu rechnen ist. =
4
Die B eeinflussung der Lichtstärke durch Tem peraturschwankungen ist nicht unerheblich; die Licht stärke kann, wie aus B ild 14 erkennbar, bis auf etwa 70% zurückgehen, wenn die U mgebungstempe ratur entsprechend hoch ansteigt. Für Anwendungen, wo das von N achteil i st, sind Schaltungen entwickelt worden, die diesen Effekt kompensieren. E s handelt sich dabei um Konstantstromquellen.
2.4.
Einbauhinweise für LED und FSA
Die beschriebenen LED- und FSA-B auelemente sind zum direkten Einlöten in Leiterplatten vor bereitet . Aus die sem Grund wurden für diese· B auelemente keine Fassungen vorgesehen. Die Ab stände und Anordnungen der lötbaren und bereits verzinnten Anschlußfahnen entsprechen mit 2,5 mm Rasterab stand die ser MontagearL Die Montage der LED kann gemäß B ild 15 in verschiedener Weise vorgenommen werden: Bild 1 5a zeigt die stehende Anordnung in einer Leiterplatte, wobei zwischen der Unterseite des Plastkörpers und der Leiterplatte durch die Aufsetznasen ein Zwischenraum zur Luftzirkulation frei bleibt . Die liegende Befestigung in einer Sc haltung (Bild 1 5b) ist zulässig, wenn beim Abwinkeln der An schlußfahnen die B iegekräfte mit einer Flachzange abgefangen werden. Die Zange muß sich zwi schen dem Plastkörper und der B iege stelle befinden. B ild 1 5c zeigt eine Befestigungsmöglichkeit einer LED auf beiderseitig kaschiertem Leiterplatten materiaL Der verbleibende Zwi schenraum zwischen den Anschlußdrähten erlaubt diese Anbrin gungsmöglichkeit. Werden die LEDs in Frontplatten befestigt, so empfiehlt e s sich, das gebohrte Fen ster rüc kseitig, wie in B ild 1 5d darge stellt, anzusenken. Das B auelement muß in diesem Fall z. B . durch einen Lötstützpunkt fixiert werden. Die Montage der Symbolanzeigeelemente in Leiterplatten bietet keine B e sonderheiten. Diese B au elemente werden ebenfalls direkt in die Schaltung eingelötet. Allerdings ist zu beachten, daß die Anschlüsse im halbierten Raster ( I ,25 mm) liegen (s. B ild 5a) . Das bedeutet, daß z. B. in 2,5-mm-geteil ten •Lochrasterplatten nur jeweils eine der beiden Anschlußzeilen einer Seite unmittelbar eingelötet werden kann. Da ein Biegen der Ansc hlüsse quer zur Fahne untersagt ist, muß gegebenenfal l s durch Hochbiegen und Anlöten von Drähten auf 2,5 mm adaptiert werden. In selbst hergestellten Leiter bildern kann man dagegen von vornherein auf diese Anschlußlage Rücksicht nehmen.
5
2.5.
Te�bnische Daten
Die Eige n schaften eines elektri schen Bauelements werden durch Kennwerte und Grenzwerte charak ' teri siert . Soweit nicht anders angegeben, beziehen sich die Kenn- und Grenzwertangaben auf eine U mgebungstemperatur von {}. 25 °C. Ken ndaten sind Solldaten und dienen zur Beschreibung der von äußeren Schaltelementen unbeein flußten Eigenschaften eines Bauelements. Grenzdaten dürfen unter keinen Um ständen überschritten werden . Die Schaltung muß daher so ausge legt sein, daß während der Leben sdauer des betrachteten B auelements und der Schaltung unter den ungün stigsten Arbeitsbedingungen im Hinblick auf Schwankungen der Speisespannung, der Ein stellung und der Streuwerte der übrigen B auelemente, der B elastung, des Signals, der U mgebungs bedingungen und der Daten des Bauelements kein Grenzwert überschritten wird . In Tabelle I wurden die technischen Daten der Standardbauelemente zusammengefaßt. =
3.
Leuchtdioden-Mosaik
Im folgenden sollen einige technische Anwendungen von LEDs be schrieben werden, die zum Teil wegen ihre s geringen Strombedarfs, zum Teil auch wegen ihres kleinen nötigen Einbauvolumens gegenüber dem Ein satz von Kleinglühlampen vorzuziehen sind. Außerdem ergibt sich oft eine inter essante Schaltungstechnik, und z. B . der Fortfall des Kaltstrom stoßes gestattet gegenüber Glüh lampen den Ein satz von kleinen Tran sistoren mit niedrigem Kollektorstrom (z. B. M iniplasttypen ) .
3.1.
Einfache Betriebsanzeige
Die einfachste Anwendung einer Leuchtdiode besteht darin. einen Betriebszustand anzuzeigen. B e reits von etwa 2 V B etrieb sspannung an ist das mögl ich; eine obere Gre nze besteht praktisch kau m . Wichtig ist d i e B erücksichtigung d e r niedrigen Sperrspannung, wofür B ild 1 6 zwei Möglichkeiten ze igt. I n der Schaltung n ach Bild 1 6a begrenzt die antiparallelgeschaltete Si-Diode die S perrspannu, n g bei Wechsel spannung.bzw . bei Fal schpolung auf etwa 0,7 V, in der Schaltung nach Bild 1 6b sperrt sie die unzulässige Stromrichtung .. Fall a erfordert bei B e trieb an Wechselspannung für R,, da die ser in beiden Richtungen gleich stark belastet wird, nahezu die doppelte Belastbarkeit gegen über Fall b . Pafür m u ß i m Fall b der Sperrstrom der Schutzdiode folgender Bedingung gehorchen: IspmD <
UsperrLED
Rp
ohne Rp würde auf die LED unter U m ständen zu viel Sperrspannung entfallen. D m u ß bei b) außerdem die volle B e triebsspannung Ub aushalten . Der Vorwiderstand einer B etrieb sanzeige ist gemäß Abschnitt 2 .3.4. unter B erücksichtigung der höchsten B e trieb stemperatur nach Abschnitt 2.3.3. zu wählen. Das heißt: Schwankende Temperatur 6
und ein unvermeidlicher B etriebsspannungshub bedeuten unterschiedlich helle Anzeige, was sich bei kleiner Ub stärker bemerkbar macht als bei großer. Sofern im Aufwand vertretbar, empfiehlt sich in solchen Fällen eine Kon stantstromspeisung, z. B . nach B ild 17a. Wie klein man sie aufbauen kann, zeigt B ild 17b . Unabhängig von der temperaturabhängigen LED-Spannung und der B etriebsspannung bleibt ILED in den Grenzen kon stant, die durch die strom- und temperaturabhängige Spannungs änderung von U. und UsE gegeben sind, was eine wesentlich kleinere Änderung als mit einem Vor widerstand allein bedeutet. Eine weitere Kon stantstromquelle ist in Abschnitt 3.10. beschrieben . In den üblichen Fällen einer einfachen Betrieb sanzeige genügt e s jedoch mei st, wenn die LED über haupt noch erkennbar bleibt. Das heißt: In die Gleichung nach Abschnitt 2.3.4. höchste B etriebs spannung und klein ste temperaturmäßig zu erwartende LED-Spannung sowie (höchsten) ILEDmax 20 mA ein setzen ergibt den erforderlichen Vorwiderstand . Kontrolle mit ULEDmax und Ubmin zeigt dann, wieviel ILm noch fließt . Richtwert: U nterhalb von etwa 4 m A läßt die Erkennbarkeil in heller U mgebung (Tageslicht) stark nach: vertiefter Einbau ist auf jeden Fall zweckmäßig. =
3.2.
Betriebsanzeige für TBT 800
Ein typisches Beispiel für eine deutliche Gebrauchswerterhöhung durch Einbau einer Leuchtdiode gibt der folgende Ein satzfall (B ild 1 8). Der Ton- und B ildtester TBT 800 erfreut sich bei vielen A mateuren großer B eliebtheit. B i sher fehlte diesem aus einem 2-V-Akkumulator gespeisten Gerät eine Kontrollmöglichkeit für den eingeschal teten Zustand . I nfolge der fertigungsbedingten Symmetrie beider Halbschalen m ußte der Anwender eine Markierung anbringen, die jedoch bezüglich U nterspannung oder schlechter Kontaktgabe der Batterie keine Aussage liefern kann. Einbau einer Signallampe scheidet aus Platz- und Strombedarfs grü nden aus. Mit einer Leuchtdiode (z. B. VQA 1 2) können diese Nachteile behoben werde n . Über einen Vorwiderstand von etwa 68 bis 100!1, auf gewü n schte Helligkeit und vertretbaren zusätzlichen Strom (4 bis 6 m A) hin ausgewählt, wird die Leuchtdiode mit den beiden Stromversorgungs-Steck lötösen auf der Leiterplatte verbunden (Polarität beachten!). Gegenüber der Massebuchse ist im Ge häuse eine ausreichend große Öffnung vorhanden, i n die die Leuchtdiode eingelegt werden kann . Damit wird gleichzeitig d i e Lage d e r Ausgangsseite b e i l poliger Prüfung angezeigt: Bei obenliegender Leuchtdiode ist die Tastspitze in die obere Ausgangsbuchse einzufü hre n . Durch den Einbau der Leuchtdiode steigt zwar die Stromaufnahme des Testers, doch wird der Betrieb in sgesamt sparsamer, da die eindeutige, augenfällige Einschalti nformation A usschalten in j eder B etriebspau se sicherstellt. 3.3.
Lichttaster-Markierung
In Neubauten trifft man häufig auf Niederspan nungssteuerungen für B eleuchtung. Ein solcher Taster kann mit einer LED versehen werden, die das Auffinden des Kno!)fes bei Dunkelheit sicherstellt. Dazu wird eine schräge, auf der LED-Seite nochmals aufgeweitete Bohrung i m Taster angebracht, die die Leuchtdiode aufnimmt. Auch für einen Vorwiderstand von z. B. 0,33 bis I k!l bei 12 V B etriebs spannung sowie eine Sperrspan nungs-Schutzdiode ist noch gen ügend Platz ( B ild 19). 3.4.
Blinkanzeige "BL 1"
Nicht nur im E nergiebedarf meist sparsamer, sondern auch besser erkennbar sind blinkende Anzeige n . E i n Komplementärmultivibrator hat dazu noch den Vorteil, daß er in den Pulspausen nahezu keinen Strom aufnimmt. B e sonders vorteilhaft ist der Einsatz komplementärer Si-Transistoren (z. B. SS 216 vom Kombinat V E B Halbleiterwerk Frankfurt/Oder mit KF 517 von TESLA), doch läßt sich für den pnp-Typ auch ein alter pnp-Ge-Tran si stor verwenden (dann gestrichelte n Widerstand e ntsprechend Bild 20a zur Reststromverringerung einsetze n!). Ein solcher B l i nkindikator kann gemäß B i ld 20b einschließlich LED im Format 20 mm x 25 mm aufgebaut werden und paßt dann z. B. in eine "Kappe I" von "Amateurelektronik", die eine B ohrung für die LED erhält. Aus Platzgründen wurde 7
auf den bei wesentlich über 2 V Betriebsspannung erforderlichen B egrenzungswiderstand vor der Basis von T2 verzichtet . Die Einheit läßt sich auch als Steckbaustein au sführen und damit schnell in unterschiedliche Auf gaben einbeziehen. Als Anwendungsbeispiel zeigt Bild 2 1 einen Pfl anzenwächter, der auf das Au strocknen z. B. vo,p Hydrotöpfen mit Blinksignalen hinwei st. Die Einheit wird mit einem RZP-2-Akkumulator gespeist, der etwa 2x jährlich nachzuladen bzw. auszuwechseln i st. Zwei Elektrode n (Drähte, besser aber z. B. Graphitstäbe aus Trockenelementen, angelötete An schlüsse mit V ergußmasse überzogen ) tauchen entsprechend tief in den B e hälter. Solange sie die Flüssigkeit leitend verbindet, fließen nur wenige Mikroampere. Die B l i nkzeit bei Austrocknen kann bei sparsamer Einstellung bis zu 2 Wochen be tragen, so daß auch eine derart lange Abwesenheit den Sinn der Einrichtung nicht in Frage stellt. Mit einer 3. Elektrode und einem 2poligen U m schalter (oder - wie dargestellt - durch vorübergehen des U m stecken) läßt sich beim Auffüllen eine Ü berlaufwarnung herstellen. Die 3. Elektrode befindet sich in einer solchen Höhe, wie sie der Flüssigkeitsspiegel maximal erreichen darf. I n diesem Augen blick blinkt die Anzeige und kann nun wieder auf B ereitschaft für Alarm bei Austrocknen u mgeschal tet werden.
3.5.
Spannungswächter "UÜ 1"
In Verbindung mit Z-Diodenteilern können Leuchtdioden die tatsächliche Lage einer Spannu ng in einem vorgegebenen Spannungsbereich anzeigen . I n der Schaltung nach Bild 22 -(aus " Eiectronic Design", 22/74, Heft 1 9, vgl . "radio-fernsehen-elektronik" 24/75, Heft 1 0, Seite 343) geschieht das für ein 1 2-V-Bordnetz mit einer Nenn spannung von 1 4,4 V (Normalanzeige) sowie den Grenzwerten "Ü berspannung" (;:::; 1 5, I V ) und "Unterspannung" (:5 1 3,7 V). Diese Hysterese wird von den beiden Si-Diode n festgelegt. Stromaufnahme der Schaltung: etwa 50 mA. B e sonders günstig dürften für diese Schaltung LEDs verschiedener Farben sein, die leider für den A m ateur noch nicht verfügbar sind. Bild 23 gibt für die Schaltung, die sicherlich viele Pkw-Fahrer interessieren dürfte, einen Leiterplatten· modul an, der in ·eine "Amateurelektronik"-Kappe der Größe 1 paßt.
3.6.
Unterspannungsanzeige "UA 1"
Wenn eine Information über das U nterschreiten einer Spannung genügt, so e mpfiehlt sich eine Schal tung n ach Bild 24a, dort ausgelegt für die Kontrolle eines 6-V-Akkumulators . Solange dessen Span nung genügend hoch i st, fließt d urch den Z-Diodenteiler Strom, und Tl ist geöffnet, T2 also gesperrt. Sobald Ub- Uz < UaEmin (die für Tl nötige Basis-Mindestspannung), wird Tl gesperrt, und die Leucht diode beginnt intensiv zu leuchten. Auch diese Einheit läßt sich sehr klein aufbauen, schon auf Grund des niedrigen erforderlichen Kollektorstroms . Gemäß Bild 24b reicht dazu wieder eine "Kappe 1 ", die eine Leiterplatte vom Format 20 mm x 25 mm e nthält.
3.7.
Leuchtzeile "LZ 1" ("Thermometerskale")
Eine mit der Höhe des angelegten Meßwerts ansteigende bzw. sich verlängernde Lichtpunktsäule im Sinne einer "Thermometer"-Anzeige läßt sich d urch eine mehrstufige Emitterfolgerschaltung erzielen (Bild 25). Mit der i m Kollektorzweig von Tl liegenden LED beginnend, l euchten nacheinander alle 5 LEDs auf, wenn d .i e Eingangsspannung von 0 auf etwa I V erhöht wird. Die Linearisierung der Ab hängigkeit dieser Anzeige von der Eingangsspannung erfolgt mit dem gemein samen Emitterwider stand. Die an ihm auftretende Spannung w ird über den Gegenkopplungsverstärker mit T6 und T7 sowie durch D I auf der Höhe der Eingangsspannung gehalten . Gemäß Quelle ( " Electronic Design" 2 1 / 1 973, Heft 2 1 ) ergibt sich mit R 10 20 .n und I 0 mA LED-Strom eine Auflösung von 200 m V bei U I V. =
max =
8
Experimentiervorschläge: Mit einem entsprechend ausgelegten Eingangsteiler könnte man die Ein richtung z. B. als grob gestuftes Digitalvoltmeter einsetzen.oder sie dient als Indikator für eine Meß brücke. wobei entweder die Spannungen umgekehrter Polarität unterdrückt oder in einem komple .
menüiren Schaltungsteil als .. Minusgrade·· angezeigt werden. Bild 25e ;:eigt eine einfache Möglich keit. Temperaturen im Zimmertemperaturbereich anz � zeigen.
Weitergehende Anwendungen mit
interessanten, allen.lings umfangreicheren Schaltungsvorschlägen hat H.Kühne unter Modifizierung auf eineLichtpunktanzeige in ..radio-fernsehen-elektronik"
3.8.
24/75,
Heft
1 8,
beschrieben.
Stereo-Aussteueranzeige
Ebenfalls in Form einer .,Thcrmometerskale" zeigt dieseSc p altung (Bild
26) durch aufeinander zulau
fende Lichtpunktbänder die Größe der Aussteuerung eines NF-Stereoverstärkers an. Diese Anwen
dtmg ist "mit 9LEDs jeKanal allerdings recht aufwendig. Die Anregung dazu stammt aus .. Funkschau", Heft
" 13/73. Es handelt sich um einen Spitzenwertgleichrichter mit !stufigem Vorverstärker. Dem 9 Schalttransistoren ansteuert.
Gleichrichter folgt ein lmpedanzwandler. der über � Schutzdioden
Diese wiederum schalten die einzelnen LEDs. die ihren Betriebsstrom aus einerKonstantstromquelle beziehen. Die Betriebsspannung liegt
in der fiir NF-Leistungsverstärker üblichen Größenordnung. In
der gewählten Schaltungsvariante schließt man die für Stereo zweimal .:rforderliche Anordnung, für die Bild 27a eine Leiterplatte zeigt (Versuchsmuster. endgültige Gesamtausführung für Stereo s. Bild 27b). parallel zu den Lautsprecherausgängen an. Die flache Gestaltung ermöglicht Montage
unter dem Stereoverstärker tz. B. HSV 900 o.
3.9.
ü.l bzw. einfachen Einbau.
Diodentester
Mit einem Klingeltransformator, einem Vorwiderstand von etwa des Transformators sowie mit
2
330ll bei Uerr
=
6 V Nennspannung
LEDs läßt sich ein überaus einfaches Diodenprüfgerät aufbauen
(Bild 28a. nach ..Opto-Kochbuch'' modifiziert). Die Anzeige sagt aus: -Leerlauf (Unterbrechung), wenn beide Dioden dunkel bleiben. - Kurzschluß. wenn beide Dioden leuchten, - Durchlaßrichtung des Prüflings. wenn nur die obere Diode leuchtet. -Sperrichtung des Prüflings, wenn nur die untere Diode leuchtet. Funktionskontrolle erfolgt durch Überbrücken der Prüfanschlüsse. Da jeweils eine der beiden Dioden in
O t!rchlaßrichtung wirkt,
sc hützen sich beide bezüglichSperrspannung gegenseitig.
Das Aufhaubeispiel wurde unter Beachtung
der Vollisolation zum Primärkreis im Gehäuse eines
Klingeltransformators KT07 untergebracht. Bohrungen nehmen die Anzeigedioden auf, in weitere wurden Draht�ontakte zum Anschluß der Dioden gesteckt. Zur Betriebsanzeige enthält das Muster nach Bild 28b und c die in der Mitte angeordnete
3. Diode. DieSymbole an den beiden ,.Richtungs
dioden" beziehen sich auf die Lage der Anschlüsse des Prüflings. Für Miniplastdioden wurden die beiden eng nebeneinanderliegenden mittleren Drahtanschlüsse vorgesehen.
3. 10-
Polaritäts- und Spannungsprüfer
(Betriebsanzeige "BA I" für weiten V-Bereich)
Diese Schaltung
(Rild �9a) geht ebenfalls auf das .,Opto-Kochbuch" zurück. Sie zeigt die Anwesen
heit und die 'Polarität vonSpannungen etwa im Bereich von
4
bis 30 V an.Sie läßt sich als Prüfstift oder
als Modul (dann z. B. wieder in einer ..Kappe 3" auf einer Leiterplatte vom Format
25 mm
x 40 mm)
aufbauen. Die beiden Schaltungsteile sind symmetrisch zueinander. Jeweils die bezüglich der angelegten Span
nung in Flußrichtung geschaltete Paralleldiode schließt denSchaltungsteil kurz, der die gegenteilige
9
. Polarität anz·eigt. Die beiden Transistoren jeder Seite wirken als Stromgenerator: Der dem Anschluß nähere bestimmt mit seiner Basis-Emitter-Spannung UaE den Strom durch den ��-!1-Widerstand; denn wenn die Spannung am Widerstand weiter steigen will, leitet dieser Transistor - da er dann weiter geöffnet wird -einen Teil des von 8,2-k!l-Widerstand eingespeisten Basisstroms des oberen Transistors ab, so daß der Strom durch den 33-!l-Widerstand (und damit der durch die im Kollektor zweig liegende LED) begrenzt wird. Bei
UnE= 0,66 V und R
=
33 !l erhält man ILED = 20 mA. Die
obere Spannungsgrenze der Anordnung wird durch die die LEDs steuernden Transistoren bezüglich
600 mW sind mit 20 mA und· UP"'' = 30 V + ULEo+ U"E' erreicht.) Für T2 ist ein Mindest-ß von etwa 100 erforderlich, wenn die LED schon bei der von ULEn. UaEr und UcERe>r2 bestimmte n Mindest-Prüfspannung hell leuchten soll. Unter Ver Grenzspann , ung und Verlustleistung bestimmt. (Beispiel:
wendung nur einer Schaltungshälfte gelangt man- gewissermaßen als "Nachtrag" zu den Abschnitten über einfache Betriebsanzeigen-zu einem Modul, der ohne Änderungen in Geräte mit Versorgungs spannungen zwischen etwa 4 V und
30 V als Dauerlicht-Betriebsanzeige eingesteckt werden kann.
Für ihn wurde daher gemäß Bild 29b ein Leitungsmuster entworfen. Die Leiterplatte paßt wieder in eine "Kappe
I" von "Amateurelektronik'". die für die LED stirnseitig eine Bohrung erhält. I :2 reduziert sich der Aufwand für den Polaritäts
Bei eineni. Spannungshub von nicht mehr als etwa
indikator nach Bild 29a auf die "triviale" Schaltung nach Bild 30, mit der bei Aufleuchten beider
Dioden auch signalisiert wird. ob Wechselspannung anliegt. R, dimensioniert man nach der maximal . zu erwartenden Spannung so, daß dann höchstens 20 mA fließen.
3. 11.
Symbolanzeige mit Leuchtdioden
Manchmal kann es gLinstiger sein, statt einer FSA für die Polaritätsanzeige einer im Bereich bekannten Spannung (danach Vorwiderstand dimensionieren 1) eine LED-Anordnung zu wählen. Bild 31 zeigt eine Schaltung für etwa 8 bis für etwa 4 bis
8V
12 V in den beiden Zuständen
"+" und ., -";Bild 32 gibt eine Variante
Betriebsspannung wieder. Diese Anregung stammt aus dem Applikationsbericht
,,Anwendung von GaAsP-Leuchtdioder;t" von Telefunken.
4.
FSA-Mosaik
4.1.
Einstellige Anzeige einer Schalterstellung
(Anwendung z.
B.
als Kanalanzeige für Fernsehgeräte u. a.)
Bild 33 zeigt die Diodenmatrix mit den Strombegrenzungswiderständen Darstellung der Ziffern
R,
der Segmente für eine
0 bis 9. Es handelt sich um eine Umwandlung einstelliger Dezimalzahlen zur
Anzeige durch 7-Segment-Einheiten. Während die Aufgabe bei Einsatz einer dekadischen Ziffern anzeigeröhre "trivial" lösbar ist (allerdings eine höhere Spannung erfordert), müssen den Dezimal zahlen bei der 7-Segment-Anzeige die entsprechenden Leuchibalken zugeordnet werden; man setzt die Ziffern also zusammen. Das geschieht über eine Diodenmatrix. Als Schalter kommen Drehschalter mit
I 0 Schaltstellungen oder
ein zehnteHiger Tastenschalter in Frage. Es genügt ein Kontakt je Ziffer.
0 oder anderer Ziffern (beim Kanalwähler I l verzichtet, entfallen die diesen Ziffern zugeordneten Diodengruppen. Bild 34 zeigt ein Leiterbild für die Ziffern 0 bis 9. Moderne Fernsehgeräte verfügen über Kanalschnell . wahltasten. Üblich sind 6 Kanäle. Für die Kennzeichnung der Kanäle durch Ziffern ist der Schaltungs
Für Anwendungen, bei denen man auf die Schaltstellung z. B.
aufbau nach Bild 36a vorbereitet. Das Leiterbild für diese Diodenmatrix geht aus Bild 35 hervor. Die Größe qer Widerstände richtet sich nach der verfügbaren Betriebsspannung Für einige ausgewählte . Betriebsspannungen sind die zugehörigen Strombegrenzungswiderstände der im Bild 33 eingefügten Tabelle zu entnehmen. Für andere Betriebsspannungen errechnen sich die Widerstände Abschnitt
2.3.4.
Bild
36
nik"-Teilen gemäß Bild
R,
nach
zeigt ein Leiterplattenmuster; es erhielt ein Gehäuse aus "Amateurelektro
3 6.
10
4.2.
Mehrsteilige Anzeige einer Schalterstellung
Die Sc haltung i st z. B. zur Stockwerksanzeige für Aufzüge u. a. geeignet. Besteht. der Wunsch nach einer mehrstelligen, also einer über die Zahl 9 hinau sgehenden Ziffernan zeige, so ergeben sich je nach Problemstellung 2 Möglichkeite n : Die einfachere besteht darin, die in Abschnitt 4 . 1 . beschriebenen Schaltungsaufbauten nebeneinanderzusetzen. Mit dem jeder Stelle zugeordneten Sc halter lassen sich i n jeder Stelle beliebige Ziffern ein stellen. Als Anwendungsbeispiel sei auf die Kal ender-Datum A nzeige hingewie sen. Die Darstellung mehrsteiliger Ziffern mit nur einem Schalter setzt voraus, daß dieser über die notwendigen Schaltstellungen. verfügt. Jeder Schaltschritt läßt rriit dieser Schaltungs technik die nächsthöhere und beim Zurückschalten die nächstniedrigere Zahl aufleuchten. E ntsprechend der gewünschten Stellenzahl sind ebenso viele Diodenmatrizen mit der FSA VQB 71 nach B i l d 33 unter Fortlassung der dort eingezeichneten Ziffernschalter Grundlage des Schaltungs aufbaus . Durch Kombination dieser Matrixschaltungen mit einer neuen, in B i l d 3 7 gezeigten Dioden matrix ergibt sich die gewünschte Verflechtung. Die nur auszugsweise in Bild 37 wiedergegebene Schaltung enthält die zu ihrem Verständnis wesent lichen B augruppen. Es sind dies die Übergänge von 9 zu 1 0 und 19 zu 20. Die Ziffernschalter in B ild 37 wurden entsprechend der Zahl der Schaltstellungen durchnumeriert.
4.3.
BCD-7-Segment-Dekoder D 147 C
Die Abwicklung von Zähl- und Rechenvorgängen mit elektroni schen Schaltungen basiert vielfach auf einem B C D-Kode ( B C D : "binär kodierte Dezimalzahlen"). E s handelt sich dabei u m die verschlü s se lte Darstellung der Zahlen 0 bis 9 durch ein duales (binäre s) Zahlensystem. Elektronische Schaltungen können besonders gut zwischen .2 Zustän\len - nämlich ,,keine 'Spannung vorhanden" und "Spannung vorhanden" - entsprechend den Ziffern 0 bis I bzw . den· Schaltzuständen L (low niedrig) und H (high hoch) unterscheiden. Jede Ziffer wird durch 4 B inärstellen (A, B, C und D), die wiederum jeweils 2 Schaltzustände einnehmen, gekennzeichnet. Für die Schalt zustände stehen entsprechende Spannungspegel (s. B auplan Nr. 29). In der elektronischen Zähltechnik erfolgt die An steuerung von 7-Segment-Anze igebauelementen durch binär kodierte Signale i m allgemeinen über einem B C D-7-Segment-Dekoder. Die binär kodierten Zahlen zur An steuerung der hierfür vorgesehenen 4 Ei ngänge für die B inärstellen A, B, C, D stam men z. B. aus einer Zähler- oder Uhren schaltung, die aus integrierten TTL-Schaltkreisen der Serie D 1 0 auf gebaut sein kan n . Die in solchen Schaltungen eingesetzten TTL-Zählerschaltkreise geben den Zäh lerstand in binärkodierter Form an. Die weitere U m setzung in eine le sbare Form wird mit dem BCD-7-Segment-Dekoder D 1 47 C möglich. Beim Schaltkreis D 147 C handelt e s sich um eine mono lithische hochintegrierte Schaltung in TTL-Technik, die in einem Dual-in-line-Gehäuse aus Keramik unt'"rgebracht i st. Bild 38 zeigt die Anschlußbelegung. Der Dekoder verfügt neben den Eingängen A, B , C, D ,zur Eingabe der BCD-verschlüsselten Dezimal ziffern über die Steueranschlüsse LT, B I!RB O und RB!. Der Eingang LT ermöglicht die Prüfung des anzusteuernden Anzeigebauelements ("Larri p ente st"). Liegt an LT L-Pegel (und an BI/RBO L- oder H-Pegel), so befindet sich an allen 7 Segmentan schl üssen ein L-Signal. Das bedeutet, daß alle Segmente leuchten m üssen. Der Anschluß BI/R B O..hat eine Doppelfunktio n . Er dient als Eingang für die Steuerung der Anzeige helligkeit durch periodisches Verdunkeln der Leuchisegmente und gleichzeitig als Ausgang zum· An steuern der Eingänge ,.RB!" benachbarter Stellen ( B C D-Dekoder) zur U nterdrückung nicht: benötigter Nullen [4]. Die Nullenunterdrückung kann erwünscht sein, wenn vor oder hinter einer Dezimalzahl eine oder mehrere Nullen aufleuchten . w ürden. Diese Informationen zum D 1 47 C mögen genügen , da sich die Beschreibung seiner weiteren Möglichkeiten nicht in den vorgegebenen Rahmen einfügen läßt. Die Funktionstabelle (Tabelle 2) zeigt, welche Pegel an den. Eingängen A, B, C, D zur =
·
=
11
gewünschten Ziffern- oder Zeichenkombination in der ?-Segment- Konfiguration führe n . Tabelle 3 . gibt die technischen Daten des D 1 47 C wieder. Bei Manuskriptab schl u ß war dieser Schaltkreis aller dings nur industriellen Anwendern zugänglich, ein B asteityp war noch nicht verfügbar . Bild 39 zeigt die prinzipielle Zusammenschaltung zwischen einem Festkörpersymbolanzeige-Bauelement VQB 7 1 und einem D 147 C. Grundsätzlich gilt auch bei dieser Schaltungstechni k, daß e xterne Strombegren zungswiderstände zum Ein stellen der gewünschten Segment-Ströme erforderlich sind. B ild 40 zeigt eine Ausgangsstufe des Dekoder -Treibers. Die An steuerung von Anzeigebaueleme � ten mit gemein samer Katode durch den D 1 47 C erfordert zusätzlichen Bauelementeaufwand.
4.4.
Trainer für BCD-Kode-Übungen
Mit einem D 1 47C und einer VQB 71 kan n gemäß Bild 39 ein einfaches Übungsgerät für den B CD kode " 1 - 2-4 :__ 8" aufgebaut •werden. Der im M uster verwendete Tasten schalt �r schaltet I polig die einzelnen Eingänge des Dekoders, ein 2. Schaltkontakt schaltet dabei die in dieser netzunabhän gigen Einheit vorgesehene 6-V-Batterie jeweils mit ein . (Die Spannung der 3 in Serie geschalteten RZP-2-Akkumulatoren wurde durch 2 I -A-Si-Dioden auf etwa 5 V reduziert.) Sind einmal alle Tasten gedrückt, so erkennt man immer noch am stets m i tgeschalteten Dezimalpunkt, daß das Gerät ein ge schaltet ist . Auf die An zeige der Ziffer 0 mußte bei dieser Schalteranordnung verzichtet werden . Das ließe sich d urch 5 Einzelschalter erreichen, von denen 4 die Stellen A, B, C , D (al so 2°, 21, 21, 23) und der 5. die Batterie ein schaltet. Anwendungsbei spiel : 7 22 + 21 + 2° entspricht Tasten A, B , C ge drückt. Wenn ein Teilnehmer mit B lick .auf das Zahlenfeld schaltet, kann c)er gegenübersitzende an der Tastenstellung die Ziffer erraten. Den praktischen Aufbau des Gerät s mit "Amateurelektronik'' Teilen erkennt man aus B ild 41. =
4.5.
TTL-Logiktester mit 7-Segment-Anzeige
Nach einem Schaltungsvorschlag aus der "Elektronik", Heft 1 0/75 (Bild 42), entstand ein Logiktester in Prüfstiftform , der über eine ?-Segment-Anzeige über den Zustand des gerade mit der Prüfspitze berührten Punktes Auskunft gibt. Bild 43 zeigt die einzelnen Anzeigefäll e . Dieser Stift wird sicherlich nur von erfahrenen Amateuren benötigt und gebaut . E s mag daher der Hinweis genüge n , daß u. U . einige Widerstände von den angegebenen Werten etwas abweichen können , besonders bei Verwen dung einer B astel,FSA. Die wiedergegebene Schaltung stellt bereits eine dementsprechende V ariation gegenüber der Quellenangabe dar. Die Werte wurden am Objekt so variiert, daß die gewünschte Wirkung bei den vorgegebenen Pegel n zustande kam . U n ter andere m m u ßte die in der Originalver öffentlichung als Si-Diode angegebene Diode im Fußpunkt der Transistorkaskade in eine "steile" Ge-Diode aus der BC-Strecke eines Ge -NF-Transistors gewonnen werden, da sich die Fl ußspannung einer I -A-Si-Diode gegen über den B-E-Spannungen der Transi storen und bezüglich der vorgegebenen Spannungen als zu hoch erwies. Im Ein satz wird der Tester mit der Versorgungsspannung der TTL-Schaltung 2polig über eine flexible Schnur verbunden, die im Muster mit zwei 1 -mm-Steckern in die hintere Abschlußplatte des Geräts eingeführt wurden. Bild 44 und B ild 45 zeigen Ansichten des Musters, auf einer Streifenleiterplatte aufgebaut. Gehäuse : kupferkaschiertes H artpapier. ·
4.6.
Digitaluhr (Prinzip)
B auanleitungen und Beschreibungen für elektronische Digitaluhren �nd bereitS' in großer Anzahl ., erschienen . Manche Ü berlegung wird jedoch dahin gehen, die hier vorgestellten B auelemente mit einem derartigen Projekt in Verbindung zu bringen , zumal die FSA-Bauelemente zusammen mit TTL-Schaltkreisen zu
12
kleinen Gehäuseabmessungen führe n . Mit dem Erwerb von Anzeigebauelementen i st aber erst ein Bruchteil dessen vorhanden, was an B auelementen insgesamt benötigt wird. Der Ü bersichtsschaltplan (Bild 46) zeigt die wichtigsten Baustufen einer elektronischen Uhr und gibt einen Ü berblick, welcher B auelementeaufwand für die vorliegende Schaltungskonzeption bereits hinsichtlich der erforderlichen ITL-Schaltkreise getrieben werden muß. Je nach Genauigkeitsanfor derungen an die Uhr kann die Zeitbasi s entweder aus der 50-Hz-Netzfrequenz oder aus einer Quarz stufe abgel eitet werden. Der Aufwand für die letztgenannte Schaltungsversion ist zwangsläufig erheblich größer. Mit Ausnahme des Zählers I für die Stundenzehneranzeige werden i n den Baustufen ITL-Schaltkreise verwendet. An Schaltkreisen ergibt sich für die vorliegende Schaltungsversion folgender Aufwand : 5 x D 1 47 C ( B C D-Dekoder), JOx (7 X B e trieb mit Netzfrequenz) M H 7490 (Zähler), 3x D l OO C (4 Nand-Gatter mit je 2 Eingängen), 2 x D 1 72 C ( Master- Slave-Flipflop).
4.7.
Zeitmultiplex-Betrieb von Ziffern-Anzeigen
Die Anwendung des Zeitmultiplex-Betriebs von Anzeigesystemen ist dort sinnvoll , wo vielstellige ' Ziffernanzeigen erforderlich sind. Beim Zeitmultiplex� B etrieb handelt e s sich u m ein Verfahre n , das bei höheren Stellenzahlen im B auelementeaufwand wirtschaftlicher ist als die herköm m l iche Parallei Ansteuertechnik. (Für die Parallei-Ansteuertechnik steht stellvertretend das bereits i n B ild 46 gezeigte Schaltungsprinzip in Form einer Digitaluhr.) Die zeitmultiplexe B etriebsform zeichnet sich besonders aber dadurch aus, daß zwischen Steuer- und Anzeigeteil nur wenige Verbindungsleitungen benötigt werden , was besonders bei vom Steuerteil entfernt angebrachten Anzeigen vorteilhaft ist. Beim Multiplexbetrieb werden einige Bauelemente und B augruppen mehrfach ausgenutzt. Der schaltungstechnische Kun stgriff beruht auf der Täuschung des men schlichen Auge s . Dem Auge er scheint die angezeigte Ziffernfolge als ein einheitliches B ild . In Wirklichkeit erfolgt eine von Stelle zu Stelle fortschreitende kurzzeitige Darstellung einer Ziffer. Es ist dies die vom jeweiligen Zähler ein . genommene Ziffer des Zählerstand s . Dieser sich ständig wiederholende Abtastvorgang der einzelnen Zählerstände geschieht mit einer Geschwindigkeit, die oberhalb der Flimmergrenze l iegt, so daß das Auge integrierend wirkt. Der Prin zipstromlaufplan nach Bild 47 zeigt das Zusammenspiel der ein zelnen B augruppen . Zunächst sei daran erinnert, daß eine Ziffer i n einem für den Zeitmultiplex B etrieb vorverdrahteten Anzeigesystem nur dann aufblenden kan n , wenn sowohl für die Segmente einer Stelle als auch für die zugehörige Gegenelektrode über die Treibertransistoren die erforder lichen Potentialverhältnisse gegeben sind. Ein Mitaufleuchten der untereinander verbundenen gleich artigen Segmente der anderen Stellen ist nicht möglich, d a deren Gegenelektroden zu diesem Zeit punkt masseseitig nicht durchgeschaltet sind. A m B e ispiel eines zehosteiligen Zählers gemäß B i ld 47 ergeben sich folgende Schaltabläufe, wenn man zum besseren Verständnis eine Art "Momentaufnahme" annimmt (angehaltenes Zäh lgerät) : Die den momentanen Zählerständen Zl bis ZIO entsprechenden Ziffern verlassen die Zähler in binär ver schlü sselter Form über die Ausgänge A, B , C und D und gelangen in die nachgeschalteten Torschal tunge n , bestehend aus D- 1 03-C-Schaltkreisen. Die von ihrer Funktion her auch al s "Multiplexer" be zeichneten B augruppen werden nacheinander und kurzzeitig durch die vom Taktgeber stammenden Schaltimpulse geö ffnet. . Der Taktgeber besteht aus einem mit einer Frequenz von etwa 1 kHz freilaufenden Oszillator (D I 00 C). Dieser treibt einen als Ril]gllähler nachgeschalteten Zählerschaltkreis D 1 92 C oder einen M H 7490 von TESLA. Die in den " 1 - au s - 1 0"-Dekoder MH 7442 e i nlaufenden B C D-Signale werden in dekadische Impul sfolgen u mgesetzt und stehen nacheinander an den 10 Ausgängen dieses Dekoders (der auch aus niedriger integrierten · B au steinen zusammengesetzt sein kann ) zur Verfügung.
13
Ein M ultiplexer wird für das B C D-Signal passierbar, wenn die miteinander verbundenen 2 Eingänge der 4 Gatter H-Potential annehmen . Das B C D, Signal durchläuft danach zur Pegelumwandlung den für alle Stellen gemeinsamen Gatterbaustein D 1 00. Ü ber den Dekoder D 1 47 C erfolgt die U mwandlung der B C D-verschlüsselten Ziffer in eine ?-Segment-Konfiguration . Die den Segmentau sgängen a bi s g nachge schalteten Segmenttreiber-Transi storen schalten die anzusteuernden Leuchisegmente an die Betriebsspannung. Die dem abgefragten Zähler zugeordnete Stelle kann aber nur aufleuchte n , wenn das den Multiplexer steuernde Signal auch die Stellentreiber-Tran si storen Tl und T2 steuert. Das ist, wie aus dem Prinzipstromlaufplan ersichtlich, auch der Fal l . Das vom " 1 -aus- 1 0"-Dekoder kommende L-Signal bewirkt über T l , daß T2 durchschaltet und die Gegenele·ktrode vorübergehend an M asse legt. Für kurze Zeit sind damit die Vorau ssetzu ngen zum Aufleuchten der ange steuerten Segmente gegeben . Die anderen Zählerstände können d i e ihnen nachgeschalteten· Gatter nicht passiere n , da diese zu diesem Zei•punkt gesperrt sind. Pri nzipiell stehen (bis auf " 1 -aus- 1 0"-Dekoder) bereits alle B au stufen als Schaltkreise entsprechenden Integration sgrads zur Verfügung, allerdings zunächst - was M H 7490, D 1 92 und D 1 47 betrifft - vorrangig fiir die Indu strie. Da m an da ri n aber immer noch den " 1 -aus- 1 0"-Dekoder aus mehreren Schaltkreisen zusammen setzen � üßte, kann Bild 46 nur eine Vor information sein.
14
Tabelle 2 Funktionstabelle zum D 147 C
D C B A
L an den Segmenten
Bedeutung 0
L L L L
a, b , c , d , e , f
L L L H
b, c
L L H L
a, b, d , e , g
L L H H
a, b, c, d, g
L H L L
b , c , f, g
L H L H
a, c , d , f , g
5
L H H L
c , d , e , f, g, a
6
L H H H
a, b , c
7
H L L L
a, b , c , d , e , f , g
8
H L L H
a, b , c , f, g, d
9
2 4
Tabelle 3 Technische Daten des BCD-7-Segment-Dekodcrs D 147 C
Technische Daten des D 1 47 C Betriebsspannung
Us
L - Eingangsspannung
U tL
- 0,8 . . . 0,8 V
H - Eingangsspannung
UtH
2,0 . . . 5 , 5 V
U oH
� 1 5 V bei lo H = 250 f.LA
für a bis g
U oL
;;;: 0,4 V bei lo L = 20 mA
Stromaufnahme
Ia
;;; 90 mA
4,75 . . . 5,25 V
H - A u sgangsspannung für a b i s g L - A u sgangsspannung U s = 4,75 V
5.
Literatur
Neben bereits im Text genannten Quellen sei als Auswahl noch auf folgende Literatur hingewiesen :
[ I ] - : Firmenschriften des V E B Werk für Fern sehelektronik [2] -: Firmenschriften des Kombinat V E B Halbleiterwerk Frankfurt (Oder) [3] -: Firmenschriften der Firma TESLA, CSSR
[4] Müller, W.: Ziffernaustastung in mehrsteiligen Anzeigesystemen mit gasgefüllten Anze igeröhren, radio-fern sehen-elektronik 22 ( 1 97 3 ) Heft 2 3 , Seite 783 [5] Armgart, D.: Wirkungsweise einiger M S I-Schaltkreise, radio-fernsehe n-elektronik 23 ( 1 974) Heft 4, Seite 1 35 bis 1 38 [6] Ulrich, L/N ikolaus, M . : Anwendung der integrierten Zähler D 1 92 C und D 1 93 C, radio-fernsehen elektronik 23 ( 1 974) Heft 1 8, Seite 399 · [7] - : IS-Kurzinformation D 1 47 C , radio-fern sehen-e1e ktronik 24 ( 1 975) Heft 1 8 , Seite 595 I . Auflage, 1 .-25 . Tausend · © Mil itärverlag der Deutschen Demokrati schen Republik ( V EB ) - Berlin, 1 977 · Chef
lektorat Mil itärliteratur · Lizenz-N r . 5
·
LSV : 3539 · Lektor: Wolfgang Stammler
Rita Abraham · Pri nted in the German Democratic Republic
·
Zeichnunge n : Manfred Schutz
Vorauskorrektor : Johanna Pulpit · Korrekto r :
Typograf i e : Helmut Herrmann · Hersteller: Hannelore Lorenz ·
Lichtsat z : I NTERDRUC K Graphischer Groß
betrieb Leipzig - IJI/ 1 8/97 · Druck und Buchbindere i : Sachsendruck Plauen · Redaktionssc h l u ß : 22. April 1 976 · Be stellnummer: 745 859 6.
15
a)
Vtt
[%] 100 80 2
60
B ild I Kristallaufbau einer lichtemit tierenden Gä-As-P-Diode : I - Metilllisier.ung, 2 - Halb
40
b)
leitermaterial Bild
2
Emissionswellenlängen von liehtemittierenden Festkörper
5x2,5=12,5
20
"'
� � ,,
bauelementen auf Ga-As-P Basis und unterschiedlich
400
dotieriem GaP im Vergleich zur Kurve der relativen Augen
500
600
empfindlichkeit Bild
3
,;
12
Leuchtdi de VQA
- )\
in All
Innenschaltung der VQB 7 1
A -: AnOde, Anschlüsse lötbar
B ild 8
verzinnt
4
Dreisteiliges Anzeigeelement
Leuchtdiode VQA
12,
VQC
Aufbau
32,
3 mm Ziffernhöhe, für
Multiplexbetrieb : a - Draufsicht mit Anschl ußbelegung (GE 1 bis
Bild 5
3
Anzeigebauelement für Ziffern (VQB 7 1 ) un'd Symbole (V
c)
Bild 7
plastgehäuse : K - Katode,
Bild
""
700
Q B 73), 7 mm
Symbol höhe ;
sind hier die Katoden ! ) , b -
Vorderan sicht, c - Seitenan
3
sicht, d - verlängerte Anschlüsse auf einer Seite beim schräg
a ::... Vorderansicht, b - Seiten
stehenden Typ VQC 3 2 B, e -
ansicht ·
Seitenansicht der VQC 32 B
B ild 6
Anschlußbelegungen (Drauf sieht):
a - V.QB 7 1 ,
b - VQB 7 3 ;
A bis G : Segmentkatoden ; G E
(2 X )
AnOde (beide verbinde n ! )
a)
a � +I + I
e)
4 5
6
� �
'0
:S i.9
Bild
VQA 12 VQ B 71 Dezimalzeichen VQC 32
GEl
GEJ
GE2
VQB 71 VQ8 73
13
Relative Flußspannung, bezogen auf eine U mgebungste mperatur
Segmente
von
25 •c
9
Bild 9 Innenschaltung der VQC 3 2 Bild
10
Richtstromkennlinien von 1\ n zeigebauelementen mit
Pam
meter Temperatur und Willer standsangaben (für d i e
Logik
spannungen 5 V und 12 V < rfor
Zeichenfehler: Die beiden Wider standslinien diirfen wegen der
derliche M i nde stvorwiderstände
gewählten Koord i natentei l u ng
je Segmentanschluß). Ach\ U ng
nicht al s Gerade verlaufen 1
f----+�-+-11-+-l
BCD
7- Segment dekoder
Lötstützpunkt
50
d) c)
�) Zwischenspeicher B i ld I I Diesen Aufwand erforde rt der Einsatz einer VQC
32
Taktgenerator
11
10
(Zeit
15
mulliplexbetrieb, sonst ikann nur eine von 3 Ziffer n aus�n utzt werden ! )
Bild
12
10
20
--IFfnAJ
15
h: �
Montage von Leuchtdioden auf Leiterplatten : a - senkrecht, b - waagrecht, c - Kante (bei zweiseitiger Kaschierung), d Frontplattenmontage ( B eispiel)
�
D
LD
Rp
Bild
16
� · �
LD ·
<
U!PfNT LD Isperr t:?
16
Schutz vor zu hohen Sperrspannunge n : a - Anti parallelschaltung, b - Serienschaltung ( U-Aufteilung nach Sperrwiderstandsverhältn i s , daher Rp)
Rp
• 5,6V ua � 9 V
�Uz
RE """ 1.70 Q fürIw
b)
�
Rv{kQ} - (Ua -Uz) [V] wenn Izo ""' TmA
TOmA
+ � VJ
LD = VQA 12 D • SA Y 17 o. ii.
b)
a)
---,----�--�
KF517 (q_qJT6 o. ä.) '
B : Brücken e
®
]• nich t in Bi 20 berücksichtigt s. Text
Bild 23 B ild 20
17
Bild 1 7
a - Leiterplatte n modul für d i e Schaltung nach Bild 22 ( p a ß t i n
a
Komplementärmulti vibrator :rrut LED-Biinkanzeige , bereits
a - Konstantstromspe i s u ng
( Beispiel), b - Aufbaubeispiel
" Kappe I " v o n "Amateur
elektro n i k " ) , b und c _ Bau
fur Beispiel nach Bild 21 erwei
emer durch Maßnahme a i n
siei nfotos
tert, b - Aufbaubei sp i e l im
w e i t e m Spannungsbereich ver
Format 20 m m x 25 mm, c und
wendbaren Betriebsanzeige
d - Baustei nfotos
Bild 2 1 Pflanzenwächter m i t Auff ü l l kontrolle zu Bild 20: a _ b l i n k t bei U nterschre i t e n , b _ b l i n k t bet Auffü l l e n , wenn maxi mal zulässiger Pegel erreicht ist (umstecke n ' )
a)
max.
Pegel- _:_
_
_
_-_-_-_ -
-
21 Bild 22 S p a n nungswächter
JI. n lage
für
! 2-V
mit 3 Zustandsan zeige n :
U berspannung , N e n n spannung
(Normalanzeige), U nterspannung
Bild 1 8 B e triebsanzeige mit LED im
/�QA 12
M
SA Y
(12V-) Ta
(, J2 V 1}
Bild 1 9 a - Lichttaster f ü r Niederspan
D
19
TBT SOO
n u ng m i t e i ngebauter Leucht
dtode, Stromlaufplan (kein R p,
da b
lsperrD
:seite
.:::g
lsperrLEo),
Vorderansicht, c _ E i nbau
20 22
23
8 8 = Brücke
LD 'n auf Stecklötösen I
b)
Bild 27
� O O O Qt 1 2 3 4 5
a - Leiterplatte (älteres M u ster) für l Kanal zur Schaltung nach
Bild 26, b - Leitungsmuster und Bestückungsplan für beide Kanäle
8
LZ1
B i l d 26 "Thermometerskale" für M o n o oder Stereo-Ausste ueranzeige
(l
B i l d 24 a - U nterspan n u ngsanzeige f ü r 6- V-Akku m u l ator, b - Leiter platte z u a, c und d - B austein fotos
Kanal dargestellt)
26
• • • • • 1 2 3 4 5
(f)
26 V
22k
30mA
24
25 B i ld 25 a -
�
Thermo meterskale " : N ach
eina der Aufleuc hten der Dio den bei steigender Ei ngangs
spannung, b - Lei terplatte zu a,
c und d - B austei nfotos, e - An wendung zur Temperaturan zeige
330k
j�""'
m�E 4,7k 2
(Ua ) E> , ro v ( 12V)
r - -o-�1-1'
4 7k (:
ex�m l �
E-
6, E
S, lk
(sonst bei J.
w'n hetl)
Dioden wie Bi. 33
10x SS 216 o.ä.
e
Rv 28b 27a
�
27b
{-oben)
� (+oben)
u ":S 0,02 · Rv ·- uw
(Uw ,... T, 7 V) e (+)
BiiJ 30 Ei nfacher Polaritätsanzeiger f ü r e i ngee ngten Span n OJ ngsbere i c h . Bei Wechselspannung leuchten beide DioJ e n
RiiJ 28
DioJ e n prü fge rä t : a - Stromlauf
pla n . b
-
A 1 "fii hrungsbe ispiel
28a
Betriebs - Poiaritäts A nzeige BiiJ
29
a - Pol ari t ä t s· und S p a n n u ngs· prüfer für U pruf
=
4 . . . 30 y .
b - Lei t e rplatte f ü r obere S.:haltungshälfte ( a l s B e t riebs
a � L dge fiir großen Spannungs hcre�ch I . c
29 a)
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